Диссертация (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата), страница 6

Контролируется так же давлениеаккумуляторов и температура.РесурсНААБограничиваетработоспособностьположительногоэлектрода, механизмы деградации которого сходны с теми, что имеют место вНК АБ. Они обеспечивают длительное циклирование: 1000-1500 циклов при 80% глубине разряда и до 30 000 циклов при глубине 40 % [3].НВ АБ используются, как правило, в СГЭ высокоорбитальных КА такихкак: INTELSAT-K, ANIK-E, EUTELSAT-2, TVSAT-2, "Ураган", "Глобус",35"Геликон","Ямал-100"представлениемоидр.повышеннойЭтоопределяетсявзрывоопасности.ихдороговизнойКоличествоизарядно-разрядных циклов АБ на этих КА не слишком велико (от 400 до 5000 циклов).В настоящее время внимание исследователей и производителей АБпереключилось на проектирование других типов АБ (НМГ АБ, ЛИ АБ) вшироком диапазоне емкостей, которые при массовом производстве обещаютвозможность создания автономных источников электропитания космическихаппаратов дешевле НВ АБ и с более простым способом управления.1.4.4 Никель-металлогидридная электрохимическая системаХарактерной особенностью НМГ АБ является использование в качествеотрицательногоэлектродаводородабсорбирующегосплаванаосновеинтерметаллических соединений лантана или комбинации редкоземельныхметаллов с никелем и различными активирующими добавками.

Развитиеобласти разработок НМГ АБ началось несколько десятилетий назад.Конструкция никель-металлогидридного аккумулятора представлена нарис.1.12.При заряде происходит восстановление воды из водного растворащелочного электролита с выделением водорода, который поглощаетсяинтерметаллическим соединением, образуя гидриды. При разряде происходитокисление абсорбированного водорода в твердой фазе. Таким образомтребуемое количество водорода находится в твердой фазе, что позволяет иметьравновесное рабочее давление 0,10 - 0,15 МПа (в отличие от НВ АБ, гдемаксимальное рабочее давление водорода достигает 4-11 МПа).Это обстоятельство позволяет, во-первых, отказаться от применения вводородных электродах дорогостоящего платинового катализатора, что имеетместо в традиционных НВ АБ, и, во-вторых, использовать типичные для НК АБкорпуса призматической (обычно используемые в СГЭ КА) формы, чтозначительно удешевляет НМГ АБ. Кроме того, скорость саморазряда НМГ АБзначительно меньше, чем у НВ АБ высокого давления.36Рис.

1.12. Конструкция никель-металлогидридного аккумулятора: 1корпус, 2-крышка, 3-колпачек клапана, 4-клапан, 5-изоляционная прокладка, 6изолятор, 7-отрицательный электрод, 8-сепаратор, 9-положительный электрод.На рис. 1.13 показаны разрядные характеристики НМГ АБ производствакомпании «Ригель» при постоянной температуре окружающей среды +20 °С иразличных токах разряда.Рис. 1.13. Разрядные характеристики НМГ АБ фирмы «Ригель»Как видно из графика, с возрастанием нагрузки, емкость отданнаяаккумулятором по отношению к номинальному значению снижается. Приразряде током 1 С, аккумулятор отдает более 95 % емкости при разряде до37напряжения 1 В, а с увеличением тока нагрузки до 3С, разрядная емкостьснижается до ~ 83 %. На рис.

1.14 представлено изменение разрядной емкостиаккумулятора НМГ АБ при различных температурах разряда токами 0,2 С и 1С.Рис. 1.14. Изменение разрядной емкости в зависимости от температуры итока разрядаВ положительном диапазоне температур разность значений разрядныхемкостей аккумулятора при токах нагрузки 0,2 С и 1 С изменяетсянезначительно. В отрицательном диапазоне температур расхождение кривыхразряда носит более выраженный характер. При температуре -20 °С и токеразряда 1 С, аккумулятор способен отдать не более 60 % номинальной емкостидо конечного разрядного напряжения (1 В).Основными достоинствами НМГ АБ являются:- повышенная удельная энергия по сравнению с НК АБ по массе на 20-40%и по объему 50-80%.

Емкость, которую способен отдать аккумулятор, зависиткак от величины его нагрузки при разряде, так и от температуры окружающейсреды;- присущий всем типам НВ АБ повышенный срок службы;- количество зарядно-разрядным циклам примерно в два раза больше, чему НК АБ;- взаимозаменяемость с НК АБ по габаритам, электрическим и тепловымпараметрам;38- большая адаптация к существующей аппаратуре СГЭ КА по управлению,контролю и тестированию НК АБ;- отказ от кадмия означает переход к более экологически чистымпроизводствам;- снятие "эффекта памяти", присущего НК аккумуляторам.Высокая удельная энергия НМГ АБ (80 Втч/кг) обусловленаследующими факторами:- возможность использовать электроды каркасной конструкции с меньшейвесовой и объемной долей матрицы;- более компактной упаковкой активной массы отрицательного электрода,позволяющей увеличить закладку активной массы в заданном объемеэлектродного блока;- снижением начального избытка емкости отрицательного электрода.В процессе заряда НМГ АБ выделяют большее количество тепла нежелиНК АБ.

Поэтому в целях предотвращения перегрева НМГ АБ снабжаюттермопредохранителями. Потери емкости аккумулятора при его разряде донапряжения ниже нуля вольт, опасность перегрева или переполюсовки одногоиз аккумуляторов в результате длительного циклирования, поэтому к подборуаккумуляторов для НМГ АБ предъявляют более жесткие требования, чем НКАБ.Основными разработчиками НМГ АБ являются ведущие зарубежныекомпании, освоившие наиболее прогрессивные технологии такие, как:французская комнания SAFT, немецкая компания VARTA, японские компанииPANASONIC и CADNICA, и из отечественных компаний – ОАО «НИАИ«Источник», ОАО «Ригель». В космосе НМГ АБ внедрены на ряде научных КА,в частности на японских КА Lunar, Planet и др.

в России НМГ АБ впервыеиспользовали на микроспутнике «Колибри».391.4.5 Литий-ионная электрохимическая системаЛитий-ионные аккумуляторы появились тогда, когда было показано, чтоочень удобной матрицей для внедрения большого количества ионов литияявляются различные углеродные материалы. Прорыв ЛИ АБ связан сожидаемымивысокимиудельнымихарактеристикамиизначительнымрасширением рабочего температурного диапазона. Конструктивно ЛИ АБвыпускаются в призматических и цилиндрических вариантах. Конструктивныеварианты исполнения ЛИ АБ выпускаемых компанией «Ригель» представлен нарис. 1.15.В основе работы электродов ЛИ АБ лежит принцип внедрения-извлеченияионов лития в матрицу определенной структуры.

Такие матрицы выступают вроли «хозяина», предоставляющие свободные пространства своей структуры«гостю», которым является ион лития. При этом гость, при осуществлениизаряда или разряда аккумулятора внедряется в одну из матриц и соответственноуходит из другой. Благодаря этому, подобную структуру называют «креслокачалка». Средой, через которую происходит перенос иона лития, являетсяэлектролит. Упрощенное изображение структуры ЛИ аккумулятора («креслокачалка»), показано на рис. 1.16.Из схемы видно, что процесс не ограничивается только переносом ионалития. Одновременно в том же направлении происходит перенос электрона, такчто убыль положительного заряда на аноде аккумулятора компенсируетсяуходом электрона, а прибыль положительного заряда на катоде компенсируетсяприходом электрона.

Отрицательным электродом ЛИ АБ в той или иной формеслужит углерод, а положительным – литированные оксиды металлов.При заряде ион лития покидает матрицу положительного электрода ивнедряется в углеродную матрицу (отрицательный электрод). При разрядепроисходит обратный процесс. Средой, через которую происходит переносионов лития, являются жидкие или твердые электролиты.40Рис. 1.15. Конструктивные варианты исполнения ЛИ АБ: а –цилиндрический аккумулятор, б –призматический аккумулятор, в –призматический аккумулятор с рулонной скруткой пакета электродов.Рис. 1.16.

Структурное изображение ЛИ аккумулятора («кресло-качалка»)Современные ЛИ АБ достигают высоких удельных показателей: 100-180Втч/кг. Рабочее напряжение аккумуляторов составляет 3,5-3,7 В. Отношениезарядной емкости ЛИ АБ к их разрядной емкости близко к единице. Диапазонрабочих температур: от -20 °С до 60 °С. Ведутся работы по расширениютемпературного диапазона.Саморазряд ЛИ АБ составляет 4-6 % за первый месяц, затем значительноменьше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20 % запасенной емкости.Ресурс АБ по количеству циклов перезаряда аккумулятора, как правилосоставляет не более 1000 [3,33, 36].На рис.

1.17 представлена разрядная характеристика ЛИ призматическогоАБ ЛИКГП-10 компании «Ригель» при температуре окружающей среды +20 ˚Си различных токах разряда.41Рис. 1.17. Разрядная характеристика ЛИ АБ компании «Ригель»Как видно из графика, для данного аккумулятора разряд (при температуре+20 °С) при токах нагрузки 0,2 С, 1 С и 2 С не оказывает существенноговлияния на его разрядные характеристики. Но работа в отрицательномдиапазоне рабочих температур, оказывает существенное влияние на АБ. На рис.1.18 представлен график количества энергии, отдаваемой аккумулятором VL41M компании SAFT, при различных условиях эксплуатации.Рис.

1.18. Энергия АБ VL 41M компании SAFT, при различных токахразряда и температурах.Кривые разряда имеют характеристики близкие к линейным при различныхтемпературах разряда.На рис. 1.19 представлены разрядные кривые АБ ICR18650A1 компании LGпри токе разряда 0,5 С.42Из рис. 1.19 видно, что отдаваемая АБ емкость снижается в 2 раза притемпературе-20°С,относительноемкостиотдаваемойприрабочейтемпературе аккумулятора 0-25 °С. При низких температурах происходитзамерзаниеэлектролита,чторезкоснижаетегоэксплуатационныехарактеристики.Заряд ЛИ АБ осуществляется в комбинированном режиме. На первом этапезаряд производится комбинированным током, затем по достижению на АБнапряжения 4,2В заряд продолжается в режиме падающего тока припостоянном напряжении. На рис.

1.20 представлен график, на которомпредставлен процесс заряда ЛИ АБ.В процессе заряда, потенциал отрицательного углеродного электрода ЛИАБ достигает значения «нуля» (рис. 1.21). Дальнейший сдвиг потенциалаотрицательногоэлектродавсторонуотрицательныхзначенийделаетвозможным катодное выделение на поверхности углеродной матрицыРис. 1.19. Разрядные характеристики АБ ICR18650A1 компании LG притоке разряда 0,5С и разной температуре.43Рис. 1.20. Режим заряда ЛИ АБЛИ АБ не требуют регулярного обслуживания, циклы тренировки слабовлияют на срок службы АБ.металлического лития в виде мелкораздробленного осадка.

Литий в такомсостоянии обладает весьма высокой реакционной способностью по отношениюк электролиту, что в случае нарастания температуры создает опасностьвозникновения неконтролируемых химических реакций в аккумуляторе,которые, в свою очередь, сопровождаются обильным выделением тепла и темсамым стимулируют развитие процесса.